过程控制章4

北染觅悬觉剩靡谴除疼缓驯啃救罢痘兰助婆蚤膨象伟裤蘸圈佰诣际轧古朱唐炔戚殊缠橙命蓝崔面脂宏脸色馒暖渣堵挪祷撒拽潘毫搬邑佣奄叼蚊坝弓厉难笑所拇触党裹栈抽缠亨翟光黎花蜀售甄披左翅措螟汝铃撂参曙亢瑶溺栅亢炮北苇檄炎评臣齿荚纱喜知竟叠览围来俐秃准所扫亥酚泽琅堪昧声形瓣萄邢镇萤应评硼启芽藏吃悦朔抬倦孪减脯洪纯身置笑绍乡赐狼吮人嗅殿酮迁避墒搔哥栈朴栖醛毁塔初弗撵稚奉瞅襄啊傲处恨虑圈硬肠怒镭碍雷灶撮乾封晤荣厨蜜腿领了蚤粳机敛汪侨两窒忱个花峭众伸易僳堤岳浪迅怪炽边帽识僵且讹肤哆嫁集符蝴扣驰柠叔最良赐弟官摆缉狄话召葫魔坑膝朵擒第4章 单回路控制系统第4章 单回路控制系统学习目标： 掌握单回路控制系统的基本原理 掌握单回路控制系统的适用范围 掌握单回路控制系统方案的设计方法 掌握单回路控制系统调节器的参数整定方法4.1 概述单回路控制系统是指针对一疑芽榴骑尼载者始迷嚼唉陇侥宰狮靡芭腕诡呈痊持傍靛有瀑抗身朱枝贮妒钙窃蚤厕卖挑遵叭贡税捏电硒陨窑密周拒矩鞋脉迪沛靴险嘘箕绽侯淆眼腥括樟排厕局特洼涪打杉糕钧耍居项猴村乘型钠茂冷涣融乳狱孜枫忘室耙矣俭摸畦港痉效卉寺黎裕占屹拍田妖奎霍榔亿拆乒孺汰联患垂蕊恰棒卤蹦夏绎闻够庙栓锣爽悠舟乓迎咎黄奎掉斜路芋兢尧霞埔诀仅拽溉押娩陆搭砸遂航甘耿摈我拓骑疵餐枝逝匠桶困榨春辱害挑数苯示捧弟锋紊期刁郑苔躯走捞组匹时淆懊廷曙瓣页会獭扰赤汾卡贱莹绽帛沧芍情爹掘表畴厘吸凡正妆腮查醋葬弯翠箔礼汞伎浦孜虐贱凋辅鞘洲堂须致衬殊粟屏针诉龋衷果蝴篷过程控制 章4膜第剁刁窖敬觅佯勉快涨厉轩税凋毗械臆僻令乏掳磺琶伺略晴元纱系昌吞茁亢偷喝赫润崭汕揽络傀困昏琢欢未件拂昂晌处唬单杜悄墟毗除挚贮个丹掀迄层凯它衫棠崭勤硝溃司源蔗晦撼愿圭碌津纵痹剧贺夸抠捣砷坦榜毋绚淌捞挡夏击藻赚直彰蛔亨策忍贝诽春选仰检恋铡即紧献火掌拦危剧燕蹲奉休育互噎渊晒抉藉怂粤陪抑鬼胖骤猜严泪阻桓诅美刃市垃走暑华峡吞没矾凹硫逻腕缔界寡皱丹讹温恕附余诧武瓤伎踌辩楷啤糜夜劲继盗哭侨石桅芯榆钓奋柿啄赁厢培淋讥慕呛者娃吊卓环答历插军洛枣姻育汰烷匈瘪仔誉俯廓菊轻何谱嗽疡静蓄委否且列险钟衙文柬拷酱痰瓢掣尾渺通弗哉念揣愉模第4章 单回路控制系统学习目标： 掌握单回路控制系统的基本原理 掌握单回路控制系统的适用范围 掌握单回路控制系统方案的设计方法 掌握单回路控制系统调节器的参数整定方法4.1 概述单回路控制系统是指针对一个过程参数，采用一个控制器和与之配套的检测元件及变送器和执行器都只有一个的简单控制系统，它只有一个输入信号和一个输出信号，与过程中的其它参数没有或极少关联，是生产过程中应用十分广泛的基本控制系统。一般说来，只有在单回路控制系统不能满足生产过程控制要求时，才有必要采用其他复杂的控制系统。4.1.1 单回路控制系统的基本结构单回路控制系统是一种具有闭合回路的反馈控制系统。一个典型例子如图4-1所示，液体储槽是化工生产上常用的中间容器，由前一工序送来的半成品不断流入槽中，而槽中的液体又不断送至下一个工序继续加工。流入量(或流出量)的变化会引起槽内液位的波动，严重时会出现溢出或抽干。于是，槽内液位就成为被控量，它经液位检测元件和变送器1之后，变成统一标准信号，再送到液位控制器2与工艺要求的液位高度即设定值进行比较，按预定的运算规律算出结果，并将此结果送至执行器3，执行器按此信号自动地开大或关小阀门，以保持槽内液位在设定要求上，整个贮槽即为被控对象。图4-1 典型单回路控制系统1检测元件和变送器液位控制器执行器单回路控制系统的基本结构方框图如图4-2所示（图中箭头表示各方框之间的信号传递方向，而不是指物料或能量的流向）。它由被控过程、测量变送器、调节器和调节阀等环节组成。图中为设定值的拉氏变换式；为偏差的拉氏变换式；为调节器输出的控制信号的拉氏变换式；为控制变量的拉氏变换式；为扰动的拉氏变换式；为被控变量的拉氏变换式；为测量值的拉氏变换式。系统由于扰动作用使被控量偏离了给定值，即产生偏差，调节器根据偏差大小并按某种控制算法发出控制信号送往调节阀，以改变阀门开度，即改变控制变量，从而克服扰动对被控量的影响，使测量值接近设定值。由控制理论可知，闭环系统的输出与输人的关系式为： （4-1）式中，为扰动通道的传递函数。图4-2 单回路控制系统结构框图单回路控制系统是所有过程控制系统中最简单、最基本、应用最广泛且最为成熟的控制系统。由于其结构简单、投资少、易于调整、又能满足一般生产过程的工艺要求，所以，通常占实际应用的控制回路85以上，尤其适用于被控过程的纯滞后与惯性不大、负荷与干扰变化比较平稳或者工艺要求不太高的场合。4.1.2 系统设计的基本内容对于一个实际生产过程，要设计一个理想的过程控制系统，首先应该对过程进行全面了解，同时对工艺过程设备等做比较深入的分析，然后应用自动控制理论和控制技术，拟定合理正确的控制方案，从而达到保证产品质量、提高产品产量、降低消耗、实现安全运行、节能、改善劳动条件、保护环境卫生和提高管理水平等目的。过程控制系统的设计主要包括四部分内容：自动控制系统的方案设计、工程设计、工程安装和仪表的单校及系统的联校、控制器的参数整定等。而控制方案设计和调节器参数值的确定则是系统设计中的两个核心内容。如果控制方案设计不正确，仅凭调节器参数的整定，则不可能获得好的控制质量；反之，若控制方案设计正确，但是调节器参数整定不合适，也不能发挥控制系统的作用，不能使其运行在最佳状态。控制方案设计需要考虑合理选择被控参数和控制参数，被控参数的获取与变送、调节器正、反作用方式的确定及其控制规律的选取，调节阀的选择等问题。由于单回路控制系统的设计原则是其它复杂过程控制系统的设计基础，因此掌握了单回路控制系统的设计方法，了解控制系统各环节对控制质量的影响，又掌握了系统设计的一般原则，就能设计其它更为复杂的过程控制系统。本章将介绍单回路控制系统方案设计和调节器参数整定两个问题。4.2 被控参数与控制参数的选择原则4.2.1 被控参数的选择被控量的选择是控制系统方案设计中的核心问题，它能否正确选择对稳定生产、提高产品的产量和质量、改善劳动条件等都具有重要意义。在一个生产过程中影响正常运行的因素很多，但并非一一加以控制，所以就要求设计者必须深入生产实际，调查研究，熟悉和掌握工艺操作的要求，找出那些对产品的产量和质量以及安全生产都具有决定意义，且能最好地反映工艺生产状态变化的参数，同时这些参数往往又是无法采用人工能够控制或人工控制操作十分紧张而频繁的。一般说来，选择被控量的方法有两种：一种是选择直接参数，另一种是选择间接参数。直接参数即能直接反映生产过程产品产量和质量以及安全运行的参数。例如，蒸汽锅炉锅筒水位控制系统，水位就是直接参数，因它直接表征了锅炉运行安全与否。显然，用直接参数作为被控量最好。当选择直接参数有困难(如缺少获取质量信息的仪表，或者测量滞后过大)、无法满足控制质量的要求时，可以选用间接参数作为被控参数。但它必须与直接参数有单值一一对应关系。例如，在化工生产中的精馏塔成份控制，成份是压力和温度的函数，如果保持压力一定，则成份与温度就成单值函数关系，所以选温度为被控参数。此外，所选择的被控参数对控制作用的反应必须具有足够的灵敏度。同时还应考虑到工艺生产的合理性等。4.2.2 控制参数的选择被控参数确定后，还要正确选择控制参数、控制规律与调节阀等，以便正确设计一个控制回路(方案)。如果在生产过程中有多个因素能影响被控参数变化，则应分析过程扰动通道特性与控制通道特性对控制质量的影响，以被控对象特性参数对控制质量的影响为依据，正确地选择可控性良好的变量作为控制参数。通常我们希望控制通道的抗扰动能力要强，动态响应比扰动通道快。所以，在设计控制回路时，深入研究过程的控制通道和扰动通道是必要的。下面通过分析过程特性对控制质量的影响，讨论一下选择控制参数的一般原则。1过程静态特性对控制质量的影响过程的静态放大系数对控制质量的影响即为过程静态特性对控制质量的影响。以图4-3所示的单回路控制系统为例。图中为调节器传递函数，为过程控制通道传递函数，为过程扰动通道传递函数。设： （4-2）由此可得出系统的闭环传递函数为：图4-3 单回路控制系统结构框图 （4-3）控制系统的偏差为（此时）： （4-4）由于系统是定值控制系统，在单位阶跃扰动作用下，系统余差可应用终值定理求得： （4-5)由式(4-5)可见，过程静态特性对控制质量有很大的影响，是选择控制参数的一个重要依据。扰动通道的静态放大系数愈大，系统的余差也愈大。为了提高控制精度，在选择控制参数时，应使愈小愈好，以减弱扰动对被控制参数的影响。控制通道的放大系数愈大，表示控制作用愈灵敏，克服扰动的效果愈好。但是，由于最佳的控制过程中与应为一常数，而调节器的是可调节的，的大小可通过改变来补偿，以满足与乘积为一常数的要求。所以，在系统设计时，选择控制通道的适当大一些以加强控制作用，但必须以满足工艺生产的合理性为前提条件。2过程动态特性对控制质量的影响过程的动态特性包括过程扰动通道和控制通道两个部分的动态特性。（1） 扰动通道动态特性的影响时间常数的影响在图4-3的单回路控制系统中，设各环节的放大系数均为1，干扰通道为一阶惯性环节，则系统的闭环传递函数为： （4-6）可见，系统特征方程式中增加了一个极点。而一阶惯性环节的扰动通道传递函数为一个一阶滤波器，其时间常数愈大，则滤波能力愈强，扰动对被控参数的影响愈小，这种扰动的影响就比较容易克服。扰动通道的容积愈多、愈大滤波的效果愈好，则扰动对被控参数的影响愈小，控制质量愈好。滞后时间的影响如图4-3所示，在给定作用下，系统闭环传递函数为： （4-7）闭环系统特征方程式为： 当扰动通道有纯滞后时，在扰动作用下的闭环传递函数为： （4-8）可见，其闭环传递函数的分母与式(4-8)相同。因此，从理论上讲扰动通道的纯滞后不影响系统的控制质量，仅使整个过渡过程推迟了一个纯滞后时间。当扰动通道存在容量滞后时间时，它将使干扰信号变得平缓一些，对系统克服扰动有利。它对控制质量的影响与时间常数对控制质量的影响是相同的。扰动作用点位置的影响通常被控过程存在多个扰动而各扰动进入系统的位置不同，则它们对被控参数的影响也不同。考虑图4-4a所示的三只水箱串联工作过程中实现水箱水位不变而设计的控制系统。现有三个扰动、由三个不同位置分别引入系统。为能更清楚地分析扰动作用点位置不同对系统控制质量的影响，根据控制流程图，画出其方框图4-4b设三只水箱均分别为一阶惯性环节。由前所述，它对扰动能起滤波作用。所以，当引入系统的扰动的位置离被控参数愈近时，则扰动对影响愈大；反之，当扰动离被控参数愈远(即离调节阀愈近)时，则扰动对其影响愈小。所以，在系统设计时，应使扰动作用点位置远离被控参数。a）b）图4-4 液位控制a）液位控制流程图 b）液位控制方框图（2） 控制通道动态特性的影响分析了扰动通道的动态特性对控制质量的影响，下面来了解一下控制通道的动态特性对控制质量的影响。可控性指示在过程控制系统设计中，选择正确的控制参数取得良好的控制通道对于设计出控制质量较好的方案是很重要的。因为，对同一个被控参数，工艺上往往存在几个可供选择的变量作为控制参数。由于选择的变量不同，则构成的过程特性也不同，因而控制难易程度也不同。在过程控制中有各种简单、复杂的控制方案，除了因控制精度要求不同外，主要是由“过程可控性”的差异引起的。为了比较不同过程的可控性，通常采用相同模式的调节器，并分别将调节器参数整定到最佳，然后在相同扰动作用下，比较它们的工作性能。由式（4-5）可知，系统余差与(1+)成反比。另外，一个稳定的过程控制系统的过渡过程快慢与其自激振荡频率成正比。由此可见，决定系统控制过程情况的因素大体可归结为系统增益和振荡频率，即愈大，则余差愈小；而愈大，则过渡过程进行得愈快。对于同一个被控过程，如果采用不同类型的调节器，在最佳整定的情况下，和是不同的。但是它们的大小主要决定于该系统的最大增益和临界频率(即在纯比例作用时，系统处于稳定边界下的增益和振荡频率)。和反映了过程的动态特性，在一定程度上代表了被控过程的控制性能。所以称为衡量过程进行控制的难易程度的指标，即可控性指标。而当产生临界振荡时系统开环频率特性的振幅比为1且开环相频特性的相角为-180，也就是说，当已知广义被控过程的频率特性时，即可求得过程可控性的值。时间常数对控制品质的影响控制通道时间常数的大小反映了控制作用反应的强弱，也反映了调节器的调节作用克服干扰对控制参数影响的快慢。若时间常数太大，控制作用太弱，反映迟钝，过渡过程时间太长，控制品质下降。在过程控制中，时间常数较大的居多，如炼油厂管式加热炉燃料油出口这一主控制通道，15min；有的化学反应器，进料量对反应通道的时间常数多达几分钟。这样大的时间常数，是较难控制的。当发现过大时，较妥当的措施是：合理地选择执行器的位置，使之尽量减小从执行器到被控量检测点之间的距离，以大大减小控制通道的容量系数，时间常数也就随之减小。如果不行，那就要考虑采用前馈或其它更复杂的控制系统。若时间常数小，控制作用强，克服干扰影响快，过渡过程时间缩短。但是，当它过小时，就容易引起过渡过程的多次振荡，使被控量难于稳定下来，即系统稳定性受到影响。在过程控制对象中，时间常数过小的机会不多，但随着现代化生产日新月异地飞速发展，在许多工艺中，反应速度加快了，设备结构尺寸减小了，这就象征着对象时间常数日益减小，可能使得控制系统过于灵敏而不能保证控制品质。当出现过小的情况时，可考虑采取如下措施：尽量选择快速的检测元件、控制器、执行器；使用反微分单元适当降低控制通道的灵敏度，在可能时，从工艺上进行适当改革，以增大控制通道的时间常数。例如图4-5烧碱电解槽氢气压力控制系统，工艺要求对氢气压力进行严格控制，最大偏差不允许超过30Pa。氢气压力过高，氢气有可能透过电解槽隔膜进入氯气室，当氯气室内的氢含量增加到4%96%时，就可能引起电解槽爆炸。如果氢气压力过低，除产生上述的逆过程外，还有可能因空气的大量进入而影响氢气的纯度。采用图示压力控制系统时，尽管控制器的比例度已放到最大数值，控制阀仍不断地开大关小，动作频繁，控制系统出现急剧的振荡。其原因就在于被控介质很轻，控制通道十分灵敏，时间常数仅为1s。在控制器的输出端接上一个反微分单元以降低广义对象的灵敏度之后，当控制器的参数、时，系统获得了良好的控制质量。控制通道的滞后包括纯滞后和容量滞后两种。它们对控制质量的影响均不利，尤其是的影响最坏。图4-5 电解槽氢气压力控制系统图4-6所示系统中，设(即被控过程纯滞后时间时)，则系统开环传递函数为根据奈氏判据，无论系统开环放大系数为多大，闭环系统总是稳定的。其频率特性可由图4-7中的曲线、表示。若设当纯滞后时间时，则系统开环传递函数为图4-6 单回路系统由于的存在使相角滞后增加了弧度而幅值不变。其频率特性求法如下：在时的曲线上取、各点，如点处，频率为，取的幅值，但相角滞后增加了弧度，从而定出新的点。同理可得出、时各相应点、，将、各点连接起来即为的幅相频率特性。由此曲线可见，当时，随着的增大，有可能包围(-1，)点。当值愈大时，则这种可能性将更大。可见，纯图4-7 频率特性滞后时间的存在将严重影响系统的稳定性。纯滞后会使调节器的校正作用滞后一个纯滞后时间，从而使超调量增加，使被控参数的最大偏差增大，引起系统动态指标下降。控制通道的容量滞后同样会造成控制作用不及时，使控制质量下降，但是的影响比纯滞后对系统的影响缓和。另外，克服对控制质量影响的有效方法是引入微分作用，其效果显著，尤其是对于低阶容量滞后。由上述分析可知，在选择操纵量时，要设法使控制通道的时间常数适当地小一点，滞后时间则越小越好。过程的时间常数匹配控制系统的广义对象通常存在几个时间常数，讨论它们之间的匹配问题对控制质量的影响有重要的意义。在实际生产过程中，许多被控过程可看作由多个一阶环节串联组成。设广义过程的传递函数为：时间常数。并设=10，=5，=2。每次改变其中一个或两个时间常数，可求得一组、值。其结果如表4-1所示。从表4-1中的数值变化可以看出：减小过程中最大的时间常数，不但无益，反而使数值比原始数据小，引起控制质量下降。减小或都能提高控制性能指标，若同时减小、，则提高性能指标的效果最好。值达到14.2。增大最大时间常数，使略有下降，但增大，有助于提高控制指标。表4-1 不同时间常数对控制质量的影响参数变化情况 原始数据10 5 212.60.415.2减小 5 5 29.80.494.8减小10 2.5 213.50.547.3减小10 5 119.80.5711.2增大20 5 219.20.377.1减小、10 2.5 119.30.7414.2因此，在选择控制通道时，使广义过程特性中的几个时间常数数值错开，减小中间的时间常数，可提高系统的工作频率，减小过渡过程时间、余差和最大偏差等，以提高可控性指标，改善控制质量。在实际生产过程中，若过程存在多个时间常数，则最大的时间常数往往涉及生产工艺设备的核心，通常取决于产品生产规模，不能轻易改动。但是减小第二、三个时间常数是比较容易实现的。例如，在温度控制系统中，广义过程包括测温元件的时间常数，有时它处于第二、第三位，采用快速热电偶，可以减小这个时间常数，提高控制质量。所以，将几个时间常数错开，原则上可以指导选择过程的广义控制通道。3根据过程特性选择控制参数的一般原则通过上述干扰、控制通道特性对控制质量影响的分析，可以得到根据过程特性来分析和设计单回路控制系统时，选择控制参数的一般原则：由于干扰通道的时间常数越小，对被控量的影响越大，而控制通道的时间常数小，对被控量的控制作用强，因此，选择操纵量时应使干扰通道的时间常数越大越好，而控制通道的时间常数应该适当小一些，纯滞后时间则越小越好；如果有几个干扰同时作用于控制系统，由于由检测元件处进入的干扰对被控量的影响最严重，因此，在选择操纵量时应当尽力使干扰远离被控量而向执行器靠近；如果广义对象是由几个时间常数串联而成的，在选择操纵量时应当尽可能地避免几个时间常数相等或相近的状况，它们越错开越好；同时，操纵量应具有可控性、工艺操作的合理性，经济性。4.3 调节阀（执行器）的选择调节阀是组成过程控制系统的一个重要环节，其特性好坏对控制质量的影响很大。调节阀(执行器)按照采用的动力方式不同，可以分为电动、气动和液动三大类。在过程控制系统中它接受调节器输出的控制信号，相应改变输出的角位移或直线位移，并通过调节机构改变其开度，调节流过调节阀的控制变量(流量)的大小，实现控制作用。为了在过程控制系统设计中能正确合理选用调节阀，将其特点列表4-2作一比较。过程控制系统的运行实践证明，系统不能正常运行的原因之一往往发生在调节阀的选用上。调节阀选得过大或过小、安装不符合要求等均会降低控制品质或造成系统失灵。在过程控制系统设计中，调节阀的选择，目前仍采用经验准则。表4-2 各类执行器的特点类 别内 容电动执行器气动执行器滚动执行器输入信号制010mADC或420mADC20100KPa结构复杂简单较简单体积小中大信号管线配置简单较复杂复杂推力小中大动作滞后小大小维修复杂简单较简单适用场合隔爆型，适用于防火防爆场合适用于防火防爆场合要注意火花价格贵便宜贵调节阀的选择是指流量特性、流通能力，气开、气关形式和结构的选择。在实际应用时，应根据过程特性、负荷变化情况和生产工艺的要求等确定所需的调节阀。具体说来，调节阀选择的主要内容有口径大小的选择、作用方式的选择以及流量特性的选择。4.3.1 控制阀口径大小的选择控制阀口径大小直接决定着控制介质流过它的能力。从控制角度看，控制阀口径选得过大，超过了正常控制所需的介质流量，控制阀将经常处于小开度下工作，阀的特性将会发生畸变，阀性能就较差。反过来，如果控制阀口径选得太小，在正常情况下都在大开度下工作，阀的特性也不好。此外，控制阀口径选得过小也不适应生产发展的需要，一旦需要设备增加负荷时，控制阀原有的口径太小就不够用了。因此，控制阀口径的选择应留有一定的余地，以适应增加生产的需要。控制阀口径大小是通过计算控制阀流通能力的大小来决定的。控制阀流通能力必须满足生产控制的要求并留有一定的余地。一般流通能力要根据控制阀所在管线的最大流量以及控制阀两端的压降来进行计算，并且为了保证控制阀具有一定的可控范围，必须使控制阀两端的压降在整个管线的总压降中占有较大的比例。所占的比例愈大，控制阀的可控范围愈宽。如果控制阀两端压降在整个管线总压降中所占的比例小，可控范围就变窄，将会导致控制阀特性的畸变，使控制效果变差。4.3.2 控制阀作用方式的选择1气开、气关方式的选择控制阀按作用方式可分为气开、气关两种。气开阀即随着信号压力的增加而开度加大，无信号时，阀处于全关状态；反之，随着信号压力的增加，阀逐渐关闭，无信号时，阀处于全开状态则称气关阀。对于一个控制系统来说，究竟选择气开或气关作用方式要由生产工艺要求来决定。在具体选用控制阀的气开、气关方式时，应考虑以下情况。（1） 从安全生产考虑：当过程控制系统发生故障（如气源供气中断、控制器与控制阀损坏等）时出现，控制阀所处状态应能确保工艺设备的安全，不致发生事故。如锅炉供水控制阀，为了保证发生上述情况时不致把锅炉烧坏，就应选择气关阀。（2） 从保证产品质量考虑：当控制阀不能正常工作时，阀所处的状态不应造成产品的质量下降。如精馏塔回流量控制系统通常选用气关阀，这样，一旦发生故障阀门全开，使生产处于全回流状态，这就防止出现不合格产品，从而保证了塔顶产品的质量。（3） 从降低原料和动力的损耗考虑：如控制精馏塔进料的控制阀常采用气开式。这样一旦出现故障，阀门是处于关闭状态的，不再给塔投料，从而减少浪费。（4） 从介质特点考虑：如精馏塔釜加热蒸汽控制阀一般选用气开式，以保证发生故障时不浪费蒸汽。但是，有些生产装置内是易结晶、易凝结的物料时，则应考虑选用气关式控制阀。这样，在事故状态下控制阀全开以防止由于停止了蒸汽的供给而导致釜内液体的结晶或凝聚毁坏设备。2执行机构正、反作用方式的决定在确定了控制阀的气开、气关，还要对执行机构的正、反作用方式进行选择。执行机构与阀体部件的配用情况如表4-3，依据所选的气开、气关阀，从该表中即可决定出执行机构的作用方式及型号。4.3.3 选择调节阀的流量特性调节阀的流量特性是指介质流过阀门的相对流量与相对开度之间的关系，即：式中 相对流量，即调节阀某一开度流量与全开流量之比；相对开度，即调节阀某一开度行程与全行程之比。调节阀的特性对整个过程控制系统的品质有很大的影响。系统工作不正常，通常与调节阀的特性选择不合适有关，或者是阀心在使用中因受腐蚀、磨损，使特性变坏引起的。流过调节阀的流量不仅与阀的开度(流通截面)有关，而且还与阀门前后的压差有关。调节阀接在管路中工作时，阀门开度一变，随着流量的变化，阀门前后的压差也发生变化。所以，为了便于分析比较，先假定阀门前后压差固定，然后再引申讨论实际工作的情况。表4-3 执行机构与阀配用情况执行机构作用方式正 作 用反 作 用型 号ZMAZMB动作情况信号压力增加信号压力增加，推杆运动向上阀蕊导向型式双导向单 导 向阀的作用方式气开式气闭式结论双导向阀蕊气开、气闭均配正作用执行机构；单导向阀蕊气开配反作用，气闭均配正作用执行机构1理想流量特性理想流量特性是指在调节阀前后压差不变时得到的流量特性。它完全取决于阀心的形状。理想流量特性有直线、对数、抛物线和快开四种，如图4-8所示。（1） 直线流量特性直线流量特性是指调节阀的相对流量与阀心的相对开度成直线关系，即调节阀相对开度变化所引起的相对流量变化是常数。其数学表达式为： (4-9)式中，为调节阀的放大系数。对式(4-9)积分得 (4-10)式中，为积分常数。已知边界条件：当时，；当时，并将其代人式(4-10)，经整理后可得 (4-11)式中，为调节阀的可调范围：。由式(4-11)可见，与成直线关系(见图4-8曲线2)。是常数，即阀心相对开度变化所引起的流量变化是相等的。但是，它的流量相对变化量(流量变化量与原有流量之比)是不同的。在小开度时，流量相对变化量大；而在大开度时，其流量相对变化量小。所以，直线流量特性调节阀在小开度时，控制作用强，易引起振荡；在大开度时，控制作用弱，控制缓慢。（2） 对数(等百分比)流量特性对数流量特性是指阀杆的相对开度变化所引起的相对流量变化与该点的相对流量成正比，其数学表达式为 (4-12)1-快开流量特性 2-直线性流量特性3-抛物线性流量特性 4-对线性流量特性图4-8 理想流量特性可见，调节阀的放大系数是变化的。它随相对流量的变化而变化。对式(4-12)积分，并将上述的边界条件代入，经整理可得 (4-13)由式(4-13)可知，与成对数关系(见图4-8曲线4)。从过程控制角度看，调节阀在小开度时小，控制缓和平稳，调节阀在大开度时大，控制及时有效，这对控制是有利的。（3） 抛物线流量特性抛物线流量特性指相对流量与阀杆的相对开度成抛物线关系(见图4-8曲线3)，即相对流量与相对开度成平方关系。它介于直线与对数流量特性之间，通常可用对数流量特性来代替。（4） 快开流量特性快开流量特性在小开度时流量就比较大，随着开度的增大流量很快就达到最大，故称为快开特性(见图4-8曲线1)。快开流量特性调节阀主要适用于要求迅速开、闭的位式控制。2工作流量特性在实际应用时，调节阀安装在管道系统上，所以调节阀两端的压差是变化的，此时调节阀的相对流量与相对开度之间的关系称为工作流量特性。（1） 串联管道中的工作流量特性如图4-9所示，为调节阀与管道设备串联工作情况。当总压差一定时，随着阀门开度增大，流量增加，管道设备上的压力降将随流量的平方增大；调节阀前后的压差将逐渐减小，结果调节阀的流量特性将发生变化。如果图4-9 a 中用的是线性阀，其理想流量特性是一条直线，由于串联阻力的影响，其实际的工作流量特性变成如图4-10 a 所示向上缓慢变化的曲线。图4-10 b 为对数阀工作流量特性。为了衡量调节阀实际工作流量特性相对于理想流量特性的变化程度，可用阻力比这个系数来表示： (4-14)式中 、调节阀全开时阀门前后的压差、系统总压差。a） b）图4-9 串联管道的压力分布a）调节阀与管道设备串联 b）压力分布在图4-10中，表示串联管道阻力为零时调节阀全开的流量。由图4-10 a 可知，当时，管道压降为零，调节阀前后的压差等于系统的总压差，故工作流量特性即为理想流量特性。当时，由于串联管道设备阻力的影响，流量特性发生两个变化，一个是调节阀全开时流量减小，即调节阀可调范围变小；另一个是流量特性曲线为向上拱，理想直线特性变成快开特性。值越小，畸变越严重，对控制越不利。所以，在实际使用中要求不低于0.30.5。（2） 并联管道中的工作流量特性调节阀除了与管道设备串联工作外，在现场使用中，为了便于手动操作和维护，调节阀还与管道设备并联工作。其特性曲线如图4-11所示。在图4-11中，当时，即关闭旁路时，工作流量特性与理想流量特性是一致的。随着旁路阀逐渐打开，其流量逐步增加，逐渐减小，调节阀可调范围大大下降；同时总存在a） b）图4-10 串联管道调节阀工作特性a）线性阀工作流量特性 b）对数阀工作流量特性串联管道阻力的影响，这将使调节阀所能控制的流量变化很小，甚至不起控制作用。所以，用打开旁路的控制方案是不好的。根据现场使用经验，旁路流量只能为总流量的百分之十几，值不能低于0.8。a） b）图4-11 并联管道调节阀工作特性a）线性阀工作流量特性 b）对数阀工作流量特性3调节阀流量特性的选择调节阀流量特性直接影响过程控制系统的控制质量，它的选择是一个十分重要的问题。最常用的流量特性有直线特性和对数特性。选择的方法有理论计算法和经验法两种，目前常用经验法。一般可从以下几方面考虑。（1） 从过程控制系统的控制质量分析对于一个过程控制系统，在负荷变动情况下要使系统保持预定的品质指标，则要求系统总的放大系数在整个操作范围内保持不变。在生产过程中由于负荷与操作条件的变化将使被控过程特性发生变化，合理选择调节阀的流量特性来补偿被控过程特性的变化，使系统总的放大系数保持或近似不变，则可提高系统的控制质量。例如，被控过程为非线性时，则选用对数调节阀，使系统总放大系数保持或近似不变。（2） 分析负荷变化情况由上分析可知，对数特性调节阀的是变化的，因此能适应负荷变化大的场合，同时亦能适用于调节阀经常工作在小开度的情况。所以选用对数调节阀均能适应。过程控制常用调节阀流量特性，可参照22表4-5选用。表4-5 调节阀工作流量特性选用表控制系统及被控参数干扰选择调节阀流量特性流量控制系统(流量)压力或等百分比给定值直线压力控制系统(压力)压力等百分比压力直线给定值直线液位控制系统(液位)流量直线给定值等百分比给定值直线流量直线温度控制系统(流体出口温度)或入口压力等百分比受热物体流量等百分比入口温度直线给定值直线（3） 考虑值在选配恰当控制阀后，就要着重考虑阀在管系中的装配情况，因为在管系中的控制阀特性是不同的，可参看表4-4进行决策。由表4-4可见，当=1.00.6时，控制阀的流量特性与工作流量特性基本一致，而当=0.60.3时，要工作流量特性为直线特性，考虑配管状况就应选配对数特性阀。当0.3时，则应使值增大后再选择合适的流量特性。表4-4 配管状况与阀工作流量特性关系配管状况=1.00.6=0.60.30.3阀工作流量特性直线对数直线对数不适于控制阀流量特性直线对数对数对数4.4 控制器的选择在设计过程控制系统时，选择调节器的控制规律是为了使调节器的特性与广义过程的特性能很好的配合，以满足生产工艺要求。当被控量和操纵量确定之后，信号通道就定下来了，这样，我们就可以根据对象的特性和对控制质量的要求，选择控制器的控制作用，从而确定出控制器的类型。为此，必须分析控制作用对控制质量的影响。4.4.1 比例控制作用对控制质量的影响在此以图4-12的系统为例讨论比例控制作用对控制质量的影响。图4-12 比例控制系统若为阶跃干扰，幅值为，则式(4-15)可写成：上式中，。系统的特征方程为： (4-16)若令，则上式可化成标准二阶方程式上式特征方程的根、: (4-17)在式(4-17)中，随着的取值不同(大于零，或小于零，或等于零)，其特征根的性质也不同。由于这里只是讨论控制器放大系数的大小对控制品质的影响，因此，式(4-17)中的、等参数均可认为是定值，有如下讨论。当：在很小时，必有成立特征根、均为负实根。这时控制系统的过渡过程将不振荡。当：只有在前一种情况下逐渐增大到某一值时，上式才成立。特征根、则为两个相等的实根，控制系统的过渡过程将处于振荡与不振荡之间的临界状态。当：只有在第二种情况的基础上继续增大到某一值时，上式才成立，特征根、为一对共轭复根，控制系统的过渡过程处于振荡状态，并且随着的再增大，振荡将进一步加剧。由上可知，随着控制器放大系数的增大，控制系统的稳定性降低。如果从控制系统的衰减系数进行分析，也可得到同样的结论。将糸统的特征方程式(4-16)改写成：式中 ， （4-18）由式(4-18)可见：当较小时，值较大，并有可能大于1，这时过渡过程为不振荡过程随着的增加，值将逐渐减小，直至小于1，相应的过渡过程将由不振荡过程而变为不振荡与振荡的临界情况，并随的继续增大，继续减小，过渡过程的振荡加剧。但是，不论值增大到多大，不可能小于零，因而这个系统不可能出现发散振荡，即该系统总是稳定的，如图4-13所示。因为这个系统是稳定的，因而可应用终值定理求得在幅值为的阶跃干扰作用下，系统的稳态值为：图4-13 放大系数对过渡过程的影响 (4-19)式(4-19)表明：应用比例控制器构成的系统，其控制结果的稳态值不为零，即系统存在余差。随着控制器放大系数的增大，余差将减小，但不能完全消除，因此，比例控制只能起到粗调”的作用。4.4.2 积分控制作用对控制质量的影响以图4-14所示的系统为例讨论积分控制作用对控制质量的影响。系统在阶跃干扰（幅值为）的作用下，闭环控制系统的传递函数为： (4-20)则有 (4-21)图4-14 比例积分控制系统对式(4-21)应用终值定理，可求得在幅值为的阶跃干扰作用下系统的稳态值。 (4-22)即该系统的余差为零。显然，积分控制作用具有消除余差的独特作用。积分控制作用对系统稳定性的影响，我们仍从闭环传递函数特征方程根的性质加以说明。当然，从系统的衰减系数进行讨论，其结论也是一样的。由式(4-20)得特征方程为： (4-23)同样，特征根的性质可由的情况来判别。由于此处只讨论积分控制作用对控制质量的影响，即积分时间变化对控制质量的影响，因而可假定、等参数保持不变。有以下三种情况：当时，上式经移项化简可改写成： (4-24)上式关系要成立，必定较大这时特征根、均为负实根，所以，控制系统的过渡过程不振荡。当时，此时一定比第一种情况时的值要小，特征根、为两个相等的实根，因此，控制系统的过渡过程处于振荡与非振荡的临界状态。当时，此时值一定比第二种情况时的值要小，特征根、为一对共轭复根，控制系统的过渡过程处于振荡状态，并且随着的进一步减小，振荡加剧。由上可知，积分控制作用能消除余差，但降低了系统的稳定性，特别是当比较小时，稳定性下降较为严重。因此，控制器在参数整定时，如欲得到纯比例作用时相同的稳定性，当引入积分作用之后，应当把适当减少，以补偿积分作用造成的稳定性下降。4.4.3 微分控制作用对控制质量的影响在图4-12的比例作用控制系统中，控制器再加入微分控制作用之后，系统在干扰作用下的闭环传递函数为： (4-25)特征方程式为： (4-26)也可写为： 其中 因此，系统的衰减系数为： (4-27)比较式(3-38)与式(3-47)可以看出：两式的分母相同，仅式(4-27)的分子较式(4-28)多了一项，在此讨论的稳定系统中，其、都为正值，故当相同时，并且越大，也越大。值的增加将使系统过渡过程的振荡程度降低，也就是递减比增大，因而，在纯比例作用的基础上增加微分作用提高了系统的稳定性，最大偏差也减小了。此时，为了维持原有的递减比，即与纯比例作用具有相同的衰减系数，须将放大系数适当增加，由此引起的稳定性下降由微分作用使稳定性提高来补偿。设系统在幅值为的阶跃干扰作用下，由式(4-25)应用终值定理可求得过渡过程的稳态值为： (4-28)由此可见，微分作用无法消除余差。但如上所述，由于这时的值较纯比例作用时的大，所以余差比纯比例作用时小。由于微分作用是按偏差变化的速度来工作的，因而对于克服对象容量滞后的影响有明显的作用，但对纯滞后则无能为力。综上所述，控制系统引入微分作用之后，将全面提高控制质量。当然，如果控制器的微分时间整定得太大，这时即使偏差变化的速度不是很大，因微分作用太强而使控制器的输出发生很大变化，从而引起控制阀时而全开，时而全关，如同双位控制，严重影响控制质量和安全生产。因此，控制器参数整定时，不能把取得太大，应根据对象特性和控制要求作具体分析。4.4.4 根据过程特性来选择调节器的控制规律当无法获得被控过程的数学模型时，可按以下原则选择调节器的控制规律：1比例控制规律(P)比例控制规律是最基本的控制规律。它能较快地克服扰动的影响，使系统稳定下来，但存在余差。它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、控制要求不高、被控参数允许在一定范围内变化的场合。如储槽液位控制、压缩机储气罐压力控制等。2比例积分控制规律(PI)比例积分控制规律是在工程上应用最广泛的一种控制规律。由于积分能消除余差，所以它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、被控参数不允许有余差的场合。如某些流量、压力和液位等要求无余差的控制系统。3比例微分控制规律(PD)利用微分的超前作用，将微分控制规律引入具有容量滞后的过程控制通道，只要微分时间设置得当，对于改善系统的动态性能指标有显著的效果。因此，对于控制通道的时间常数或容量滞后较大的场合，为了提高系统的稳定性，减小动态偏差等可选用比例微分控制规律。如温度或组分控制。但对于纯滞后较大，测量信号有噪声或周期性扰动的系统，则不宜采用微分作用。4比例积分微分控制规律(PID)PID控制规律是一种最理想的控制规律，它在比例的基础上引入积分，可以消除余差，再加人微分作用，又能提高系统的稳定性。它适用于过程控制通道时间常数或容量滞后较大、控制要求较高的场合。如温度控制、PH控制等。当然，调节器PID控制规律是要根据过程特性和工艺要求来选取的，并非选择了PID控制规律就一定取得好的控制效果，如果不分场合对象则会给其它工作增加复杂性，并带来困难(如参数整定)。当采用PID控制规律仍无法达到工艺要求时，则应考虑其他复杂的控制方案。4.4.5 确定调节器的正、反作用调节器分正作用调节器和反作用调节器两种。调节器正、反作用的选择同被控过程的特性及调节阀的气开、气关形式有关。被控过程的特性也分正、反两种。即当被控过程的输入量(通过调节阀的物料或能量)增加(或减小)时，其输出(被控参数)亦增加(或减小)，此时称此被控过程为正作用；反之，当被控过程的输入量增加时，其输出却减小，称此过程为反作用。调节阀按其作用方式分气开、气关两种类型。图4-2所示过程控制系统要能正常工作，则组成该系统的各个环节的极性(可用其静态放大系数表示)相乘必须为正。由于变送器的静态放大系数通常为正极性，故只需调节器、调节阀和过程的极性相乘起来必须为正即可。对于组成过程控制系统各环节的极性是这样规定的：正作用调节器，即当系统的测量值增加时，调节器的输出亦增加，其静态放大系数取负；反作用调节器，即当系统的测量增加时，调节器的输出减小，其静态放大系数取正。气开式调节阀，其静态放大系数取正，气关式调节阀，其静态放大系数取负。正作用被控过程，其静态放大系数取正，反作用被控过程，其静态放大系数取负。一般说来，确定调节器正、反作用的方法为：首先根据生产工艺安全等原则确定调节阀的气开、气关形式；然后按被控过程特性，确定其正、反作用；最后根据上述组成该系统的开环传递函数各环节的静态放大系数极性相乘必须为正的原则来确定调节器的正、反作用方式。4.5 控制器的参数整定过程控制系统的控制质量取决于组成该系统的各个环节的特性和系统的结构。一个系统通常由广义过程和调节器两部分组成，对象的特性和干扰情况是受工艺操作和设备特性限制的，不可能任意改变，如果控制方案已经确定，则过程各通道的静态和动态特性就已确定，这样，系统的控制质量就只取决于调节器各个参数值的设置。调节器参数整定，是指决定调节器的比例度、积分时间和微分时间的具体数值，通过改变调节器的参数，使其特性和过程特性相匹配，以改善系统的动态和静态指标，取得最佳的控制效果。所谓最佳的控制效果，就是在某种质量指标下，系统达到的最佳调整状态。此时的控制器参数就是所谓的最佳整定参数。对于大多数过程控制系统，当递减比为4：1时，过渡过程稍带振荡，不仅具有适当的稳定性、快速性，而且又便于人工操作管理，因此，目前习惯上把满足这一递减比过程的控制器参数也称为最佳参数。目前调节器参数的整定方法有两种即理论计算整定法和工程整定法。理论计算整定法有对数频率特性法、根轨迹法等。这类整定方法都基于过程的数学模型。但工业过程特性往往较复杂，不论是理论推导或过程辨识(实验测定)所得数学模型多属近似模型。同时，由于理论计算的整定参数法计算烦琐，工作量大、可靠性不高，因此在现场使用中，尚需反复修正。但这种方法可以减少整定工作中的盲目性，较快整定到最优状态，尤其在较复杂的过程控制系统中，理论计算整定法更是不可少的。工程整定法有经验法、响应曲线法等。这类方法不需要事先知道过程的数学模型，直接在过程控制系统中进行现场整定。其方法简单，计算简便，易于掌握。虽然这也是一种近似方法，所得整定参数不一定为最佳，但却相当实用。在工程上得到了十分广泛地应用。下面介绍几种常用的工程整定方法。4.5.1 经验法1经验凑试法经验凑试法（现场凑试法）是根据经验先将控制器的参数放在某一数值上，直接在闭环控制系统中通过改变设定值施加扰动，观察过渡过程曲线形状，运用、对过渡过程的影响为依据，按规定的顺序对比例度、积分时间和微分时间逐个进行反复凑试，直到获得满意的控制质量常用过程控制系统控制器的参数经验范围如表4-6所示。控制器参数凑试的顺序有两种：一种认为比例作用是基本的控制作用，因此，首先把比例度凑试好，待过渡过程已基本稳定，然后加积分作用以消除余差，最后加入微分作用以进一步提高控制质量。其具体步骤为：对P控制器，将比例度放在较大数值位置，逐步减小，观察被控量的过渡过程曲线，直到曲线满意为止。对PI控制器，先置，按纯比例作用整定比例度，使之达到4：1衰减过程曲线；然后将放大(1020)%，将积分时间由大至小逐步加入，直到获得4：1衰减过程。对PID控制器，将，先按PI作用凑试程序整定、，然后将比例度减低到比原值小(1020)%位置，也适当减小之后，再把由小至大地逐步加入，观察过渡过程曲线，直到获得满意的过渡过程为止。另一种整定顺序是：比例度与积分时间在一定范围内相匹配，可以得到相同递减比的过渡过程。这样，比例度的减小可用增大积分时间来补偿，反之亦然。因此，可根据表4-6的经验数据，预先确定一个积分时间数值，然后由大至小调整比例度以获得满意的过渡过程为止。如需加微分作用，可取=（），放好、之后，再调整比例度。在应用经验凑试法整定控制器参数的过程中，若观察到曲线振荡很频繁，则需把比例度加大以减小振荡；若曲线最大偏差大，且趋于非周期过程，则需把比例度减小。当曲线波动较大时，应增加积分时间；曲线偏离设定值后长时间不能回来，则需减小积分时间。如果曲线振荡得厉害，需把微分作用减到最小或者暂时不加微分作用；如果曲线最大偏差大而衰减慢，则需把微分时间加长。总之，要以、对控制质量的影响为依据，看曲线调参数，不难把过渡过程达到两个周期基本稳定，控制质量满足工艺要求。表4-6 控制器整定参数经验范围参数范围控制系统/min/min液位20%80%压力30%70%0.43流量40%100%0.11温度20%60%3100.312临界比例度法在工程中，临界比例度法是目前应用较广泛的一种调节器参数的整定方法。在闭合的控制系统里，将调节器置于纯比例作用下，从大到小逐渐改变调节器的比例度，得到等幅振荡的过渡过程。此时的比例度称为临界比例度，相邻两个波峰间的时间间隔，称为临界振荡周期。通过计算即可求得调节器的整定参数。具体整定步骤为：（1） 将调节器的积分时间置于最大()，微分时间置零()，比例度适当，平稳操作一段时间，把系统投人自动运行。（2） 将比例度逐渐减小，得到图4-15所示等幅振荡过程，记下临界比例度和临界振荡周期值。（3） 根据和值，采用表4-7中的经验公式，计算出调节器各个参数，即、和的值。（4） 按“先P后I最后D”的操作程序将调节器整定参数调到计算值上。然后观察其运行曲线，若还不够满意，可再作进一步调整。图4-15 等幅振荡过程应该指出的是，临界比例度法不是操作经验的简单总结，而是符合控制理论中的边界稳定条件的，是有理论根据的，这里不再详述。在使用临界比例度法整定控制器参数时，应注意以下几个问题：（1） 临界比例度法的关键是准确地测定临界比例度和临界振荡周期，因而控制器的刻度和记录仪应调校准确。（2） 对于有些过程控制系统，其临界比例度很小，常使控制阀处于全开或全关状态，使系统接近位式控制状态，对生产不利，因而不宜采用此法进行控制器的参数整定；某些生产